[发明专利]一种高稳态的三维石墨烯空心球的制备方法及其所得材料和应用

说明书

本发明公开了一种高稳态的三维石墨烯空心球的制备方法及其所得材料和应用，该方法以通过层层自组装带上正电的SiO₂球为硬模板，使带负电的二维氧化石墨烯(GO)包覆到SiO₂球的表面，再在惰性气氛(氮气、氩气)下，程序升温后进行高温热处理来达到脱氧和固化的作用，最后将内部的SiO₂球模板去除，即可得到所述高稳态的石墨烯空心球。本发明方法操作简单、快捷，制备得到的石墨烯空心球大小均一，形貌完整，可实现规模化生产。相比于传统的二维石墨烯材料，通过本方法制得的石墨烯空心球比表面积大、石墨化程度高，导电性好，在电化学测试中表现出了非常优异的稳定性，可以用作一种新型的高稳态的电催化剂载体。

技术领域

本发明涉及一种高稳态的三维石墨烯空心球的制备方法及其所得材料和应用，属于纳米微球制备技术领域。

背景技术

石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道结合且只有单原子层厚度的二维材料，是构成碳质材料的基本单元，具有优良的机械性能和导电、导热性能，已经逐渐成为一种理想的燃料电池催化剂载体材料，对于降低贵金属的载量，提高催化效率具有重大意义。然而，二维的石墨烯化学稳定性高，其表面呈惰性状态，很难在水及常见的有机溶剂中均匀分散并稳定存在，具有很强的憎水性，不利于贵金属基纳米颗粒的沉积和分散。石墨烯作为载体时，最宏观的表现就是极易产生大面积堆叠，褶皱和团聚，大大降低了其作为燃料电池电极催化剂材料的活性和利用率。首先，被石墨烯层层卷绕住的纳米粒子难以接触并且参与电极催化反应，贵金属本身的活性位点，即利用率难以保证。严重的褶皱和折叠还造成了石墨烯二维层状结构的破坏，大大减少了石墨烯本身的比表面积，大量增加了电子传递阻力。此外，在电池实际运转过程中，石墨烯的强疏水性和褶皱会增加燃料电池有机小分子的传质阻力，妨碍电解液的渗透，造成电池效率低下。为此，大量研究都被用于了缓解石墨烯的疏水性，减少褶皱和团聚。其中，实现二维向三维石墨烯的转变，可以在很大程度上保留单个石墨烯片的独特性质，最大化的减少褶皱，增大比表面积，并且实现对二维结构的规律剪裁。目前，制备三维石墨烯空心球的方法主要集中在模板法，即首先制备出海绵状、三维网状或者球形的模板材料，再通过后续程序，例如π-π堆积，静电引力等的方法，使二维的石墨烯在模板表面沉积或包覆，去除模板后，即可得到基于原模板的，尺寸与形貌固定的的三维石墨烯材料，然而，由于石墨烯本身具有柔软的结构特性，当以三维形式存在时，其稳定性难以得到保证。

发明内容

发明目的：为解决上述技术问题，本发明提供了一种高稳态的三维石墨烯空心球制备方法及其所得材料和应用。该方法通过硬模板法制备得到的三维石墨烯空心球，不仅操作简单快捷，易于规模化生产，而且制得的三维石墨烯空心球具有比表面积大，导电性好，稳定性优异等优点。

技术方案：本发明采用如下技术方案：

一种高稳态三维石墨烯空心球的制备方法，包括以下步骤：以通过层层自组装带上正电的SiO₂球为硬模板，通过静电作用，使带负电的氧化石墨烯(GO)包覆到SiO₂球的表面，经过高温热处理进行脱氧和固化处理，最后去除掉SiO₂球模板后，即可得到高稳态的三维石墨烯空心球。

形貌均匀，尺寸单一的SiO₂球被用作所述硬模板，所述SiO₂球要经过三层电荷修饰，即layer-by-layer层层自组装法，使其表面带超强的正电。

所述的高稳态石墨烯空心球的制备方法，更具体地包括以下步骤：

1)SiO₂@rGO的制备：取SiO₂球硬模板和GO，分别分散在水中，将GO溶液逐滴滴入SiO₂溶液中，搅拌，离心收集固体，烘干，得到SiO₂@GO；将SiO₂@GO在惰性氛围中，程序升温至一定温度进行高温煅烧脱氧固化，然后冷却，得到SiO₂@rGO；